网络化制造中制造过程访问冲突消解方法

0 引言

    随着网络化制造平台的进一步发展，制造企业之间交互的信息种类更加繁多，数量更加庞大，其中，制造过程信息访问因其实时性强、涉及领域广、访问角色多等特点，极易发生并发访问冲突。冲突消解中常见的策略有优先级排序、基于领域隶属度的相似推理和并行推理策略等。优先级排序是指给每个用户以固定的优先级，应用时选择最高优先级的用户；基于领域隶属度的推理适合处理处于同一工作流内的用户访问冲突，与被访问对象领域隶属度最匹配的用户拥有访问权；并行排序是把所有可用的排序规则都予以应用。上述策略各有不足，优先级排序法的处理规则不适用于用户优先级变化的情况；基于领域隶属度的相似推理则没有考虑用户所处的工作流的动态发展；而并行排序是所有情况一起应用，未从根本上解决冲突问题。

    本文针对网络化制造环境下制造过程访问冲突的特点，将制造过程访问冲突问题转化为多任务域工作流下制造任务访问优先模型的求解问题，有效地解决了网络化制造平台各制造企业用户访问冲突问题，实现了网络化制造过程的绿色访问。

1 问题的提出和转化

    在离散制造业中，产品制造过程是由一系列制造任务按照制造流程组成的，主要包括加工状态监控、加工程序编制、加工程序仿真、机床设备状态监控、工装夹具状态监控、物料状态监控、现场人员调度和质检状态监控等。在基于应用服务提供商(Application Service Provider，ASP)模式的网络化制造中，制造需求企业将所需的制造任务提交给ASP，由ASP将制造任务进行重组和分配，制造执行企业则根据ASP提供的制造任务进行制造。因此，制造需求企业用户在网络化制造中对制造过程的访问，需要进行制造过程访问分解与制造任务访问重组，如图1所示。在制造任务访问重组的过程中，若干处于不同制造过程中的用户访问同一制造任务，将导致访问冲突的发生。

图1. 基于ASP模式的网络化制造中制造过程访问

    访问冲突消解的核心在于如何评定各个访问的优先级别，以及如何根据其优先级别作出权限调整。在制造过程访问中，发生冲突的用户群所处的制造任务不尽相同，任务工期也各有安排，因此评定其优先级别要同时考虑同一工作流内及不同工作流间的任务执行情况；同时，也要分别考虑用户在该任务内所扮演的角色及其与被访问对象的关联度。因此，可将网络化制造中制造过程访问冲突消解问题转化成多任务域工作流下制造任务访问优先模型的求解问题。

2 多任务域工作流下的制造任务访问优先模型

    由以上分析可知，影响多任务域工作流下制造任务访问优先级别的因素包括：用户角色类型、用户与访问对象的关联度，以及用户所处的制造任务及其工期状态。多任务域工作流下制造任务访问优先模型根据发生冲突的动态用户群，求解各用户的访问优先级别。

2.1 优先因素的量化

    由于访问优先级由用户角色、与访问对象的关联度、所处的制造任务及其工期状态等因素决定，设提出访问请求的用户集U={u1，u2，…，un)，影响访问优先程度的因素集X={x1，x2，x3，x4)={访问角色类型，访问对象关联度，任务状态，工期状态}。

    (1)访问角色类型的量化

    角色是一组相关权限的集合，代表一个组织或任务中的工作或位置，在制造系统中，角色可以是一个组织部门中的行政职位，也可以是一个技术角色。角色类型包括ASP管理者、企业管理员、项目负责人、任务负责人、工程师、任务工作组和ASP授权用户。为了定量描述不同类型角色的相对优先程度，对不同角色类型赋予相应的优先级高低不同的数值(如表1)。由表1可知，角色类型的数值越大，其优先级越高。

表1. 访问角色类型的量化

    (2)访问对象关联度的量化

    在网络化制造过程中，访问冲突主要涉及软件访问和文件访问。多个用户同时远程编辑同一数据时，需要对用户的编辑权限进行合理配置；多个用户同时远程调用同一服务器上的同一软件／文件时，需要对软件／文件调用的优先权进行实时分配。为了合理分配访问优先权，定义角色、文件／数据、软件的领域隶属度：角色领域隶属度指角色隶属于某一领域的程度，不同的软件工具和文件／数据对于不同的领域，其使用频率和重要性也不同，以软件在某一领域的使用频率和文件／数据对于某一领域的重要程度为指标，定义软件和文件／数据对于某一领域的隶属度。

    将系统中的角色、软件、文件定义为节点，设某制造过程涉及到n个领域，定义角色xi对于领域Aj的隶属度为Aj(xi)(1≤J≤n)，并且

    访问对象关联度主要包括用户一软件关联、用户一文件关联和用户一数据关联等。关联度是指用户、软件、文件之间的相关程度，是资源调度与并发控制的依据。在网络化制造中，随着制造过程的不断进行，各领域在不同环节享有不同的访问优先权。

    设某制造过程包括p个环节，定义在k环节领域Aj享有的优先权为Wk(Aj)(1≤j≤n)(1≤k≤p)，并且

    设当前在线用户共m位，定义用户Ui对访问对象(软件／文件／数据)xe的关联度为

    节点对领域的隶属相似度越高，节点间的关联度越高。

    (3)制造任务状态的量化

    制造任务是完成某项工作目标的基本单元，制造任务根据运行的生命周期分为初始态、活动态、挂起态、终止态和取消态五个状态，分别以数值30，40，20，10，0表示。

    (4)任务工期状态的量化

    设某制造任务的时间限制为th，已经花费时间为tp，则该制造任务的工期状态tl定义为tl=100×(tp—th)／th，tl=-100表示该任务尚未开始执行；一1000表示该任务进度落后，tl越大，表示任务落后的状况越严重。

2.2 数学模型

    由影响访问优先程度的因素集X=(x1，x2，x3，x4)={访问角色类型，访问对象关联度，任务状态，工期状态)，可得因素特征矩阵

    由于因素指标值有各种类型，为了消除不同物理量纲对计算优先因子的影响，需要将因素特征矩阵A基于目标的相对优先程度进行模糊规范化，方法如下：

    根据最大隶属度原则，可得优先级最高的用户及各用户的优先因子pj。

3 访问冲突消解步骤

    设新提交操作申请的用户为uw，操作对象为o1，正在编辑o1的用户为u，处于等待访问o1队列中的用户为u1，u2，…，un，基于制造任务和工期的访问冲突消解机制，按照如图2所示步骤进行。

图2. 访问冲突消解步骤

4 系统实现与实例分析

    与冲突消解中常见的基于角色的优先级排序和基于领域隶属度的推理等策略相比：基于角色的优先级排序赋予每个角色以固定的优先级，应用时选择所属角色优先级最高的用户，当属于同一角色的多个用户发生访问冲突时，访问队列的序列化一般以进入队列时间先后来决定，未考虑各用户承担任务所处的进度情况。基于领域隶属度的推理，对处于同一工作流内的用户访问队列排序情况良好，与被访问对象领域隶属度最匹配的用户拥有访问权，但是在多工作流中，对领域隶属度同样匹配的不同工作流下的用户访问队列序列化不强。事实上，当发生冲突进行人为消解时，不仅考虑用户所属角色与访问对象的关联度，更关注对任务执行状况及其工期状态。在多任务域工作流下制造任务访问优先模型中，随着任务的执行工作流流经各领域，各用户承担任务的执行情况和工期状态被反映在求得的优先向量中，通过冲突消解步骤，对访问队列进行调整，保证了队列的序列化和合理性。

    基于上述制造过程访问冲突消解方法开发的制造过程访问控制原型系统，在某汽轮机企业网络化协同设计与制造平台中进行了应用验证。考虑到网络化制造存在的物理地域和系统安全等因素，系统采用分布式计算体系，选用浏览器／服务器(Browser／Server，B／S)系统架构和Java 2平台企业版(Java 2 platform Enterprise Edition，J2EE)体系标准。

    在某次制造过程访问中，用户u1，u2，…，u9于时刻t同时向某制造数据五发出访问请求，系统识别并计算出访问角色类型、访问对象关联度、任务状态和工期状态数据如表2所示。已知部分权重信息如下：

    0.05≤w1≤0.2，0.2≤w2≤0.4，

    0.2≤w3≤0.4，0.15≤w4≤0.25。

    则因素特征矩阵为

表2. 各用户相关数据

    利用本文方法求解得到综合优先向量P=(0.063，0.071，0.113，0.023，0.278，0.213，0.185，0.037，0.017)。

    可见，在时刻t用户u1，u2，…，U9对制造数据xe的访问优先顺序为

    u5>u6>u7>u3>u2>u1>u8>u4>u9，基于角色的优先级排序求得访问顺序为

    u4>u2>u3>u1(u6)>u7>u8(u5)>u9，基于领域隶属度的推理求得访问顺序为

    u5(u8)>u3>u1(u6)(u7)>u2(u4)(u9)。

    对比以上三组优先顺序可知，与传统的基于角色的优先级排序和基于领域隶属度的推理相比，多任务域工作流下的制造任务访问优先模型求解的结果序列化强，对访问冲突的消解真实地反映出制造过程的进行状态，同时用户角色及关联度与制造过程的进行状态紧密结合，经企业验证，优先顺序更加符合人为冲突消解实际情况。

5 结束语

    应用基于角色、对象关联度、制造任务及其工期状态的访问冲突消解方法开发的制造过程访问控制原型系统，在某汽轮机企业网络化协同设计与制造平台中进行了应用验证。结果表明，该方法从用户所处的制造任务及工期状态出发，综合考虑动态角色及关联度进行计算，所得优先顺序序列化强，符合人为冲突消解实际情况，有效地协调了平台各用户对制造过的访问，减少了网络资源配置冲突，提高了资源利用率，达到了提高访问效率和缩短制造周期的目的。

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